本发明涉及一种架空线路中连续档分布多个集中荷载时的应力弧垂设计技术，特别是一种基于等比虚拟法的集中荷载连续档应力弧垂设计方法。
背景技术：
在输电工程的架空线路设计中，一般有两种分布状况，一种是连续档，即最近的两个耐张杆塔之间至少有一个直线杆塔的档；另一种是孤立档，即最近的两个耐张杆塔相邻的档；其中多分裂导线安装的间隔棒及防舞器均属于多点分布的集中载荷。目前电力工程高压的各规范中提及了无集中荷载的连续档的应力弧垂设计方法，以及集中荷载下的孤立档的应力弧垂设计方法，但当耐张段为连续档时，对于分布有集中荷载的应力及弧垂若采用上述两种方式进行设计，则存在有太大误差，导致最后偏差过大。
技术实现要素：
本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种考虑集中荷载状态下、减小设计误差、提高设计准确率的基于等比虚拟法的集中荷载连续档应力弧垂设计方法。
本发明所述发明目的是通过以下途径来实现的：
基于等比虚拟法的集中荷载连续档应力弧垂设计方法，其要点在于，包括如下步骤：
步骤1：安全参数预处理：将包括间隔棒和防舞器在内的集中荷载按全档重量折算到每米的均布荷载，不断通过如下公式调整导线安全系数fj和年平均运行应力百分数eds_co；
其中：j＝1,2,3,4分别对应四个工况分别为：大风、覆冰、低温、年平均气温。rts为已知额定拉断力参数，a为导线总载面，σcj为第j个工况下的应力；另外γcj为第j个工况下的综合比载，lr为连续档的代表档距，e为导线弹性系数，α为导线的线性膨胀系数，tcj为年平均气温工况下的温度；计算mcmax并记录其对应的工况下的气温、应力、比载，记为tc、σc、γc，通过下式计算：
上述等号左边各参数中：σcp为待求的某工况的应力，γcp为已知的某工况的比载，tcp为已知的某工况的气温；
当σcp对应年平均气温工况时，要求调整的年平均运行应力百分数eds_co直到年平均应力百分数σcp/σmax×100％满足规范定值：普通线路≤25％，大跨越线路在18％～22％范围内，所述年平均应力百分数为平均气温工况下应力占破断应力σmax的百分数；当σcp对应大风或覆冰或低温工况时，要求调整导线安全系数fj直到导线安全系数σmax/σcp≥2.5；
步骤2：集中荷载的等效折算；将各档距内的集中荷载位置数组ak、bk和集中荷载数组qk进行如下等效折算：
a’k＝(lr/lk)·ak(3)
b’k＝(lr/lk)·bk(4)
其中：k表示档距序号，
ak、bk——分别为第k档等比折算前集中荷载距左、右两端悬挂点的距离数组，m；
a'k、b'k——分别为第k档等比折算后集中荷载距左、右两端悬挂点的距离数组，m；
qk、q'k——分别为第k档等比折算前、后集中荷载数组，n/mm2；
式(5)中的lc0r、lc0k分别为：
lc0k＝sh(utav·lk)/utav(6)
lc0r＝sh(utav·lr)/utav(7)
utav＝γ1/(2σtav)为计算线长用的系数，γ1为导线自重比载，n/(m·mm2)；σtav为年平均运行应力，mpa；lk为第k档档距，m；
步骤3：计算等效线长系数和平均应力：以步骤1得到的导线安全系数和年平均运行应力百分数，并记步骤1求得的实际年平均气温工况下的应力为σcp，则第k档的等效线长系数kk为：
而已知工况下第k档的等效线长系数kck为：
上两式中：
γ——导线比载，n/(m·mm2)；
l1——导线所占档距长，m；
λ0——绝缘子串水平投影长，m；
w1——w1＝γl1，导线单位截面的荷载，n/mm2；
γβ——导线水平投影比载，n/(m·mm2)；
i——除式中指定外，i为1～n，指ak、bk、a'k、b'k、qk、q'k各数组中第i个元素；
则根据下式计算待求工况水平应力σk：
其中，t为待求工况温度；由此，耐张段内所有档的平均水平应力σav则为：
式中：m为一个耐张段的档距总数，m≥2；
则第k档水平应力为σ0k，
普通线路时：σ0k＝min(σk高温,σav高温)
大跨越线路时：σ0k＝σk最高线温，σk最高线温为按主跨档距lk＝lmax等效计算的最高线温工况应力；
步骤4：计算有多个集中荷载的各档弧垂：以距离左悬挂点的水平距离值为x，则第k档的弧垂为：
当λ0≤x＜ak1时：
当ak(i-1)≤x≤aki(i>1)时：
当akn＜x≤lk-λ0时：
式(10)～(12)中：
lk为第k档的档距；当为普通线路时：β——两悬挂点的高差角，β＝tg-1(hk/lk)；hk为第k档的两悬挂点的高差；λ0取任意足够小的正值，如0.0001；x＝lk/2，取高温工况对应最大弧垂值；
当为大跨越线路时：β＝tg-1(hk/lmax)，lmax为主跨档距，x＝lmax/2，取最高线温工况最大弧垂值。
综上所述，本发明用等比相似性原理给出了将集中荷载位置和大小折算到代表档距对应值的方法，将导线虚拟到多个集中荷载的孤立档状态下进行计算，从而有效减小设计误差，提高设计准确率，以获得集中荷载下连续档的应力及弧垂。
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
具体实施方式
最佳实施例：
本发明所述的基于等比虚拟法的集中荷载连续档应力弧垂设计方法，包括如下步骤：
步骤1：假设集中荷载为均布荷载，结合连续档普通算法，初步估算确定较为合理的安全系数及平均运行应力百分数，以满足规范要求；
步骤2：用等比相似性原理给出了将集中荷载位置和大小折算到代表档距对应值的方法；其中：式(6)～式(7)理论上应为未受力时的导线原始线长，由于式(5)等号右侧的系数是比值，线长缩短因子exp(σtav/e)均相同被约掉，因此式(6)～式(7)不再乘上该因子；
步骤3：虚拟出与代表档距数值相等的孤立档，以零重量耐张绝缘子串孤立档等效计算具有n个集中荷载情况下的各连续档应力及各档平均应力；
步骤4：把各个连续档的档距虚拟为零重量耐张绝缘子串的孤立档，以第三步得出的较保守等效水平应力计算n(每档因档距大小不等而不同)个集中荷载情况下的最大弧垂。
以上各个步骤具体为：
步骤1：安全参数预处理：将包括间隔棒和防舞器在内的集中荷载按全档重量折算到每米的均布荷载，不断通过如下公式调整导线安全系数fj和年平均运行应力百分数eds_co；
其中：j＝1,2,3,4分别对应四个工况分别为：大风、覆冰、低温、年平均气温。rts为已知额定拉断力参数，a为导线总载面，σcj为第j个工况下的应力；另外γcj为第j个工况下的综合比载，lr为连续档的代表档距，e为导线弹性系数，α为导线的线性膨胀系数，tcj为年平均气温工况下的温度；计算mcmax并记录其对应的工况下的气温、应力、比载，记为tc、σc、γc，通过下式计算：
上述等号左边各参数中：σcp为待求的某工况的应力，γcp为已知的某工况的比载，tcp为已知的某工况的气温；
当σcp对应年平均气温工况时，要求调整名义上的年平均运行应力百分数eds_co直到实际的年平均应力百分数σcp/σmax×100％满足规范定值：普通线路≤25％，大跨越线路在18％～22％范围内，所述年平均应力百分数为平均气温工况下应力占破断应力σmax的百分数；当σcp对应大风或覆冰或低温工况时，要求调整名义上导线安全系数fj直到实际导线安全系数σmax/σcp≥2.5；
步骤2：集中荷载的等效折算；将各档距内的集中荷载位置数组ak、bk和集中荷载数组qk进行如下等效折算：
a’k＝(lr/lk)·ak(3)
b’k＝(lr/lk)·bk(4)
其中：k表示档距序号，
ak、bk——分别为第k档等比折算前集中荷载距左、右两端悬挂点的距离数组，m；
a'k、b'k——分别为第k档等比折算后集中荷载距左、右两端悬挂点的距离数组，m；
qk、q'k——分别为第k档等比折算前、后集中荷载数组，n/mm2；
式(5)中的lc0r、lc0k分别为：
lc0k＝sh(utav·lk)/utav(6)
lc0r＝sh(utav·lr)/utav(7)
utav＝γ1/(2σtav)为计算线长用的系数，γ1为导线自重比载，n/(m·mm2)；σtav为年平均运行应力，mpa；lk为第k档档距，m；
步骤3：计算等效线长系数和平均应力：以步骤1得到的导线安全系数和年平均运行应力百分数，并记步骤1求得的实际年平均气温工况下的应力为σcp，则第k档的等效线长系数kk为：
而已知工况下第k档的等效线长系数kck为：
上两式中：
γ——导线比载，n/(m·mm2)；
l1——导线所占档距长，m；
λ0——绝缘子串水平投影长，m；
w1——w1＝γl1，导线单位截面的荷载，n/mm2；
γβ——导线水平投影比载，n/(m·mm2)；
i——除式中指定外，i为1～n，指ak、bk、a'k、b'k、qk、q'k各数组中第i个元素；则根据下式计算待求工况水平应力σk：
其中，t为待求工况温度；由此，耐张段内所有档的平均水平应力σav则为：
式中：m为一个耐张段的档距总数，m≥2；
则第k档水平应力为σ0k，
普通线路时：σ0k＝min(σk高温,σav高温)
大跨越线路时：σ0k＝σk最高线温，σk最高线温为按主跨档距lk＝lmax等效计算的最高线温工况应力；
步骤4：计算有多个集中荷载的各档弧垂：以距离左悬挂点的水平距离值为x，则第k档的弧垂为：
当λ0≤x＜ak1时：
当ak(i-1)≤x≤aki(i>1)时：
当an＜x≤lk-λ0时：
式(10)～(12)中：
lk为第k档的档距；当为普通线路时：β——两悬挂点的高差角，β＝tg-1(hk/lk)；hk为第k档的两悬挂点的高差；λ0取任意足够小的正值，如0.0001；x＝lk/2，取高温工况对应最大弧垂值；
当为大跨越线路时：β＝tg-1(hk/lmax)，lmax为主跨档距，x＝lmax/2，取最高线温工况最大弧垂值。
以下提供本发明所述的基于等比虚拟法的集中荷载连续档应力弧垂设计方法的应用实例以进一步说明本发明的技术效果：
(1)某1000kv特高压线路，累积概率68％档距约600m，代表档距550m，导线8×jl/g1a-630/45(钢芯铝绞线)，所有间隔棒占档内导线的重量比例为3％，平均次档距为45m，所有防舞器占档内导线的重量比例为6.5％；防舞器按3处宏观布置(中心位置分别为2/9l、1/2l、7/9l，并以这三点为中心对称布置，安装间距形式：6m-6m-6m-6m)。根据本方法第一步的预处理计算结论：安全系数2.5，年均应力(占破断应力)百分数为22.9％(预期安装间隔棒及防舞器后达25％)；根据本方法第二、三步，计算得到的水平应力比按假设均布荷载法计算得出的应力略小，对杆塔荷载无不利影响；根据本方法第四步，计算得最大弧垂(29.82m)比按假设均布荷载法计算得出的弧垂(29.61m)大0.21m，符合经验预期(0.5m以内)，舞动区内的平均塔高须适当增加。
(2)某1000kv特高压线路汉江大跨越主跨档距1220m，跨越汉江主航道，四基铁塔按“耐-直-直-耐”布置，代表档距967m，导线6×jlha1/g4a-640/170(特高强钢芯铝合金绞线)，所有间隔棒占档内导线的重量比例为3％，平均次档距为45m，所有防舞器占档内导线的重量比例为6.5％；防舞器按4处宏观布置(中心位置分别为2/9l、7/16l、9/16l、7/9l，并以这四点为中心对称布置，安装间距形式：9m-10m-10m-9m)。根据本方法第一步的预处理计算结论：安全系数3.05，年均应力(占破断应力)百分数为18.4％(预期安装间隔棒及防舞器后达20％)；根据本方法第二、三步，计算得到的水平应力比按假设均布荷载法计算得出的应力小，对杆塔荷载无不利影响；根据本方法第四步，计算得最大弧垂(77.33m)比按假设均布荷载法计算得出的弧垂(76.67m)大0.66m，符合经验预期(1m左右)，引起设计方案变更，两跨越塔的高度须增高1m。
可见，与按均布荷载计算法相比，本发明所述方法更为合理、更加安全可靠，特别是在计算1000m以上的大档距连续档分布多个集中荷载时效果显著，能进一步提高线路对交叉跨越物的安全裕度，对电网安全运行有十分积极的意义。
本发明未述部分与现有技术相同。
1.基于等比虚拟法的集中荷载连续档应力弧垂设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：安全参数预处理：将包括间隔棒和防舞器在内的集中荷载按全档重量折算到每米的均布荷载，不断通过如下公式调整导线安全系数fj和年平均运行应力百分数eds_co；
其中：j＝1,2,3,4分别对应四个工况分别为：大风、覆冰、低温、年平均气温，rts为已知额定拉断力参数，a为导线总载面，σcj为第j个工况下的应力；另外γcj为第j个工况下的综合比载，lr为连续档的代表档距，e为导线弹性系数，α为导线的线性膨胀系数，tcj为年平均气温工况下的温度；计算mcmax并记录其对应的工况下的气温、应力、比载，记为tc、σc、γc，通过下式计算：
上述等号左边各参数中：σcp为待求的某工况的应力，γcp为已知的某工况的比载，tcp为已知的某工况的气温；
当σcp对应年平均气温工况时，要求调整的年平均运行应力百分数eds_co直到年平均应力百分数σcp/σmax×100％满足规范定值：普通线路≤25％，大跨越线路在18％～22％范围内，所述年平均应力百分数为平均气温工况下应力占破断应力σmax的百分数；当σcp对应大风或覆冰或低温工况时，要求调整导线安全系数fj直到导线安全系数σmax/σcp≥2.5；
步骤2：集中荷载的等效折算；将各档距内的集中荷载位置数组ak、bk和集中荷载数组qk进行如下等效折算：
a’k＝(lr/lk)·ak(3)
b’k＝(lr/lk)·bk(4)
其中：k表示档距序号，
ak、bk——分别为第k档等比折算前集中荷载距左、右两端悬挂点的距离数组，m；
a'k、b'k——分别为第k档等比折算后集中荷载距左、右两端悬挂点的距离数组，m；
qk、q'k——分别为第k档等比折算前、后集中荷载数组，n/mm2；
式(5)中的lc0r、lc0k分别为：
lc0k＝sh(utav·lk)/utav(6)
lc0r＝sh(utav·lr)/utav(7)
utav＝γ1/(2σtav)为计算线长用的系数，γ1为导线自重比载，n/(m·mm2)；σtav为年平均运行应力，mpa；lk为第k档档距，m；
步骤3：计算等效线长系数和平均应力：以步骤1得到的导线安全系数和年平均运行应力百分数，并记步骤1求得的实际年平均气温工况下的应力为σcp，则第k档的等效线长系数kk为：
而已知工况下第k档的等效线长系数kck为：
上两式中：
γ——导线比载，n/(m·mm2)；
l1——导线所占档距长，m；
λ0——绝缘子串水平投影长，m；
w1——w1＝γl1，导线单位截面的荷载，n/mm2；
γβ——导线水平投影比载，n/(m·mm2)；
i——除式中指定外，i为1～n，指ak、bk、a'k、b'k、qk、q'k各数组中第i个元素；
则根据下式计算待求工况水平应力σk：
其中，t为待求工况温度；由此，耐张段内所有档的平均水平应力σav则为：
式中：m为一个耐张段的档距总数，m≥2；
则第k档水平应力为σ0k，
普通线路时：σ0k＝min(σk高温,σav高温)
大跨越线路时：σ0k＝σk最高线温，σk最高线温为按主跨档距lk＝lmax等效计算的最高线温工况应力；
步骤4：计算有多个集中荷载的各档弧垂：以距离左悬挂点的水平距离值为x，则第k档的弧垂为：
当λ0≤x＜ak1时：
当ak(i-1)≤x≤aki(i>1)时：
当an＜x≤lk-λ0时：
式(10)～(12)中：
lk为第k档的档距；当为普通线路时：β——两悬挂点的高差角，β＝tg-1(hk/lk)；hk为第k档的两悬挂点的高差；λ0取任意足够小的正值，如0.0001；x＝lk/2，取高温工况对应最大弧垂值；
当为大跨越线路时：β＝tg-1(hk/lmax)，lmax为主跨档距，x＝lmax/2，取最高线温工况最大弧垂值。
技术总结